汽車罐車光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)研究

賀柏達(dá)，李超月，王 璇，牛衛(wèi)飛，高 鵬

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，天津 300192）

0 引言

汽車罐車作為易燃易爆物質(zhì)及有毒介質(zhì)的運(yùn)載承壓容器，因其具有節(jié)省成本、運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，重要性日益凸顯，需求量迅速增加。汽車罐車制造企業(yè)在追求產(chǎn)品數(shù)量的同時(shí)，在設(shè)計(jì)制造等環(huán)節(jié)難免會(huì)存在一些隱患問(wèn)題。汽車罐車實(shí)際運(yùn)輸中工況載荷復(fù)雜，包括路況平整度、環(huán)境溫度變化、車輛急啟急停等因素，都會(huì)使其內(nèi)部載荷處于不同程度的波動(dòng)中，加速隱患部位的失效。再加上罐車內(nèi)存儲(chǔ)的物質(zhì)具有易燃易爆或有毒性質(zhì)，一旦發(fā)生部件失效或事故，將會(huì)造成巨大危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失，因此，對(duì)于罐體設(shè)計(jì)制造可靠性和結(jié)構(gòu)本質(zhì)的安全性提出了更高的要求。

罐體變形是罐車一個(gè)主要失效風(fēng)險(xiǎn)因素[1]。罐車殼體發(fā)生變形是指在受到內(nèi)部或外部的載荷后，殼體的局部或整體發(fā)生幾何形狀的情況。根據(jù)受力的來(lái)源其變形表現(xiàn)分為兩部分：一是受到外力，造成殼體局部凹陷或凸起，表現(xiàn)為罐體橢圓度嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)要求；二是受到內(nèi)部的循環(huán)應(yīng)力，由于罐體局部結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，形成局部應(yīng)力集中，當(dāng)其達(dá)到材料屈服點(diǎn)附近時(shí)，每一次的應(yīng)力循環(huán)，罐體受力部分都會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，在使用過(guò)程中，這種反復(fù)塑性變形循環(huán)的累積，就可能造就其低周期疲勞破壞[2]。

目前，對(duì)汽車罐車的檢驗(yàn)方法主要是超聲波、磁粉、滲透，但這些方式不能長(zhǎng)期反映設(shè)備的運(yùn)行情況，無(wú)法對(duì)罐體發(fā)展初期的潛在疲勞損傷累積進(jìn)行監(jiān)測(cè)。光纖光柵是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型光纖無(wú)源器件，光纖光柵傳感器是可以敏銳感知外界參量變化的敏感元件，它具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括抗電磁干擾能力強(qiáng)、信噪比高、禁受苛刻環(huán)境、集感知和數(shù)據(jù)傳導(dǎo)與一體、操作簡(jiǎn)便等。光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)在航空航天、航海、民用建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[3]。

科研工作者已經(jīng)進(jìn)行了光纖光柵傳感技術(shù)在移動(dòng)式壓力容器中的應(yīng)用研究工作。高宏[4]提出了一套合理的基于光纖傳感技術(shù)的應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)流程，利用有限元分析確定應(yīng)力熱點(diǎn)區(qū)域，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該方法在長(zhǎng)管拖車氣瓶應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性，對(duì)氣瓶進(jìn)行預(yù)知性檢驗(yàn)及健康安全評(píng)估提供了指導(dǎo)意義。杜昕[5]對(duì)長(zhǎng)管拖車氣瓶應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的必要性做了簡(jiǎn)要概述，針對(duì)長(zhǎng)管拖車氣瓶的裂紋和鼓包等機(jī)械損傷形式，搭建了一種用于長(zhǎng)管拖車氣瓶的光纖光柵應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架，并介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作流程。蔣駿[6]統(tǒng)計(jì)了2010—2015 年長(zhǎng)管拖車定期檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出泄漏是長(zhǎng)管拖車的主要失效模式之一，進(jìn)而確定了泄漏的主要部件是氣瓶端塞和管路閥門，提出了基于光纖光柵溫度傳感器的壓縮天然氣泄漏的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)管拖車的泄漏失效模式和Fluent 泄漏模擬的結(jié)果分析，確定光纖光柵溫度傳感器的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置。為了防止移動(dòng)式壓力容器介質(zhì)泄漏，最大限度降低事故發(fā)生率，陳武朝[7]從壓力容器的介質(zhì)探測(cè)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，研究了包括壓力等重要監(jiān)測(cè)參數(shù)在內(nèi)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

隨著光柵周圍的物理參量（溫度、應(yīng)變等）改變，光柵周期隨之調(diào)整，使得光纖光柵反射波長(zhǎng)發(fā)生變化。因此通過(guò)中心波長(zhǎng)的變化規(guī)律，可以確定周圍物理參量的變化狀況。可見(jiàn)，開(kāi)展基于光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)汽車罐體變形應(yīng)用研究，對(duì)保證罐車使用的安全性和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 光纖光柵罐體應(yīng)變監(jiān)測(cè)

1.1 工作原理

當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光柵時(shí)，符合光纖光柵布拉格條件的部分波長(zhǎng)將發(fā)生反射，其他的光將不受光纖光柵的影響繼續(xù)向前透射（圖1）。其工作原理是基于被光纖光柵所反射回去的中心波長(zhǎng)λB的測(cè)量，根據(jù)模耦合理論：

圖1 光纖光柵傳感器原理

式中，Λ 為光柵周期，neff為纖芯的有效折射率。

反射的中心波長(zhǎng)信號(hào)λB與纖芯的有效折射率neff、光柵周期Λ 有關(guān)，當(dāng)被感知物理量發(fā)生波動(dòng)都會(huì)引起諧振波長(zhǎng)的改變，這樣通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)的波動(dòng)就可以感知被測(cè)參量（溫度、應(yīng)變等）的變化情況。

（1）應(yīng)變。光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化量△λ 和軸向應(yīng)變△ε的關(guān)系如式（2）所示：

（2）溫度。設(shè)溫度變化為△T 與光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化△λ 之間的關(guān)系為：

應(yīng)變和溫度對(duì)波長(zhǎng)的作用可以是獨(dú)立、線性疊加的。在長(zhǎng)期應(yīng)用光纖光柵技術(shù)的過(guò)程中，由于存在光纖光柵對(duì)溫度的敏感度較高，相比較于對(duì)應(yīng)變參量的敏感度高10 倍。因此監(jiān)測(cè)過(guò)程的溫度變化范圍較大時(shí)，對(duì)應(yīng)變的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度將受到較大干擾，對(duì)于溫度干擾問(wèn)題應(yīng)考慮去除。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)多功能智能系統(tǒng)，其主要作用包括集信號(hào)采集、波長(zhǎng)解調(diào)、信號(hào)分析處理等。如圖2 所示，其整個(gè)工作流程為：根據(jù)需求將傳感器接入對(duì)應(yīng)的通道中，通過(guò)光纜實(shí)現(xiàn)參量信號(hào)的傳輸。進(jìn)入解調(diào)儀的信號(hào)實(shí)時(shí)分析解調(diào)處理以及存儲(chǔ)，最后將解調(diào)信號(hào)輸出到屏幕端，直接反映出所測(cè)位置實(shí)時(shí)載荷應(yīng)變和溫度信息。

圖2 罐車應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 罐車應(yīng)變實(shí)驗(yàn)

選擇液化氣體罐車作為研究對(duì)象，其罐體為單層結(jié)構(gòu)。罐車處于定期檢驗(yàn)期間，在氣密性試驗(yàn)前需要將應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備布置于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)所需要的儀器為光纖光柵應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、光纖法蘭盤、光纖解調(diào)儀、光纖線纜、膠水等。

2.1 傳感器布置方案

因罐體具有對(duì)稱性，在罐體中部沿某一圓形罐壁外側(cè)設(shè)置4 個(gè)傳感器布置區(qū)域，如圖3 所示，分別為1、2、3、4 處。1 處在罐體最下沿，4 處在罐體頂部，相鄰傳感器布置區(qū)域之間夾角為60°。溫度和應(yīng)變是影響光柵布拉格波長(zhǎng)變化的主要物理量，但光纖光柵并不能分辨溫度和應(yīng)變各自的影響，實(shí)際工程中比較精確的應(yīng)變測(cè)量，需要溫度補(bǔ)償技術(shù)消除溫度對(duì)光柵的影響，因此緊鄰應(yīng)變傳感器串聯(lián)一個(gè)溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償使用，把應(yīng)變傳感器與相鄰的溫度傳感器作為一組。在每個(gè)傳感器布置區(qū)域設(shè)置兩組傳感器，一組沿著罐體圓周方向，另一組沿著軸向布置，兩組傳感器呈相互垂直狀態(tài)。

圖3 傳感器在罐體布置區(qū)域

2.2 傳感器的安裝

在工程應(yīng)用中，因?yàn)槁愎鈻欧浅＠w細(xì)，應(yīng)該慎重布置，以達(dá)到較高的傳感器成活率和充分感知被監(jiān)測(cè)物體的應(yīng)變情況。一般的布置工藝如下：

（1）打磨清洗。首先使用打磨機(jī)或其他設(shè)備等，去除掉罐體表面的油漆、污漬和氧化物，使得表面光滑。再利用砂紙和酒精進(jìn)一步拋光和擦干凈。

（2）粘貼。用502 膠水涂抹在光纖傳感器的鐵片上，再將傳感器按壓在物體表面一段時(shí)間，保證粘接強(qiáng)度。如圖4 所示，將其粘貼在需要布點(diǎn)的位置，再將傳感器用法蘭與接線連接起來(lái)，接入光纖解調(diào)儀，如圖5 所示。根據(jù)工況對(duì)傳感器選擇一定保護(hù)措施，以免遭受損壞。

圖4 傳感器在罐體實(shí)際布置情況

圖5 光纖接入解調(diào)儀

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

首先根據(jù)區(qū)域的劃分對(duì)傳感器編號(hào)。沿周向的傳感器用大寫字母表示，沿軸向的傳感器用小寫字母表示，即為1 區(qū)（A、a），2 區(qū)（B、b），3 區(qū)（C、c），4 區(qū)（D、d）。在氣密性試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)光柵系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，首先對(duì)各通道的光柵光譜掃描，查看接收信號(hào)數(shù)量和強(qiáng)度，以保證所有傳感器信號(hào)的連續(xù)接收。下一步根據(jù)傳感器出廠基本參數(shù)設(shè)置其在系統(tǒng)中的初始參量。配置好參數(shù)后開(kāi)始運(yùn)行，此時(shí)應(yīng)變傳感器數(shù)值在零值附近波動(dòng)，也就是將初始數(shù)據(jù)調(diào)零，并記錄此時(shí)的溫度值。

在氣密性試驗(yàn)過(guò)程中，定期記錄壓力表數(shù)值，數(shù)值隨著充放氣過(guò)程呈現(xiàn)上升、平穩(wěn)、下降3 個(gè)階段。從開(kāi)始充氣升壓之后，所有應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)都在保持一定的斜率上升，在220 min時(shí)刻達(dá)到最大值。220～365 min 時(shí)間段內(nèi)數(shù)值在最高點(diǎn)附近波動(dòng)，個(gè)別傳感器出現(xiàn)輕微下降趨勢(shì)。在365 min 之后，應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)快速下降，有6 只傳感器數(shù)值下降到零值以下。因?yàn)樵诮鈮哼^(guò)程，氣體會(huì)吸熱并排出罐體溫度下降，根據(jù)熱脹冷縮原理，罐體處于收縮狀態(tài)。應(yīng)變傳感器數(shù)值變化規(guī)律完全對(duì)應(yīng)壓力表在整個(gè)氣密性試驗(yàn)過(guò)程中的變化規(guī)律。應(yīng)變傳感器能夠直接反映出罐體應(yīng)變值變化量，進(jìn)而判斷罐體內(nèi)部壓力變化。應(yīng)變傳感器數(shù)值見(jiàn)圖6。

圖6 應(yīng)變傳感器數(shù)值

圖7 是4 個(gè)位置處的8 只溫度傳感器溫度曲線圖。在初始階段2、3、4 處溫度變化率較快，d 溫度傳感器監(jiān)測(cè)到最高溫度值為49.3 ℃，因?yàn)檫@三處地方處于太陽(yáng)光照范圍內(nèi)而受到影響。1 處位于罐體底部，溫度傳感器數(shù)值緩慢上升，且該位置兩只溫度傳感器數(shù)值在同一時(shí)刻差值非常小，基本上處于重合狀態(tài)，到365 min 時(shí)刻達(dá)到最高值。在365 min 之后，所有溫度傳感器數(shù)值快速下降，對(duì)應(yīng)了在365 min 時(shí)間節(jié)點(diǎn)，保壓完成開(kāi)始放氣的過(guò)程。在整個(gè)過(guò)程中，溫度傳感器不僅監(jiān)測(cè)該位置處的溫度變化，還有給應(yīng)變傳感器做溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

圖7 溫度傳感器數(shù)值

由表1 可知，4 個(gè)位置處周向應(yīng)變值大于軸向應(yīng)變值，比值為1.6～3.3。位置4 處（罐頂）應(yīng)變值在周向（877.1 με）和軸向（311.5 με）均為最大值；位置1 處（底部）應(yīng)變值周向（279.3 με）和軸向（136.0 με）均為最小值。其他兩處應(yīng)變值在1 和4 處之間。造成這種現(xiàn)象的原因是1 處周圍有支撐架對(duì)變形有一定的阻礙作用，再就是4 處位于頂端受溫度因素影響大。通過(guò)這4 個(gè)位置的數(shù)值可以推導(dǎo)出罐體各處應(yīng)變值不同，會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力較大且應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象。

表1 最高點(diǎn)處（220 min）應(yīng)變值

4 總結(jié)

針對(duì)移動(dòng)式壓力容器常規(guī)檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)罐體局部變形以及疲勞損傷問(wèn)題，提出使用光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)罐體進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)研究，并采用溫度補(bǔ)償方式剔除溫度參量變化對(duì)應(yīng)變傳感器的影響。通過(guò)對(duì)罐體光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，該方法能夠良好反映監(jiān)測(cè)部位的應(yīng)變情況，可以對(duì)運(yùn)行狀態(tài)突發(fā)變化做出多點(diǎn)判斷準(zhǔn)確預(yù)警，以及在今后長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)過(guò)程可以累積記錄應(yīng)變量，對(duì)疲勞損傷監(jiān)測(cè)做出可行性研究。